DE2631724B2 - Vorrichtung zum optischen Vergrößern oder Verkleinern bei Periskopen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum optischen Vergrößern oder Verkleinern mit verschiedenen wahlweise einstellbaren festen Abbildungsmaßstäben bei Periskopen, bestehend aus wenigstens zwei selbständigen, eine gemeinsame optische Achse aufweisenden Linsengruppen.

Es ist bereits ein Vorsatzfernrohr galileischer Bauart bekannt, das in beiden Stellungen einem voll auskorrigierten Objektiv vorgesetzt werden kann und eine Vergrößerung beziehungsweise eine Verkleinerung aufweist. Dieses bekannte Vorsatzfernrohr ist dazu bestimmt, die Brennweite eines Objektivs sehr hohen Öffnungsverhältnisses und sehr hoher Bildleistung in mäßigem Umfang zu erhöhen oder zu verkleinern, etwa bei Röntgenaufnahmen oder für ähnliche Zwecke (DE-AS 20 16 950).

Auch ist es für Galilei-Fernrohre nicht mehr neu, das Vorsatzfernrohr um eine senkrecht zur optischen Achse liegende Drehachse des Linsensystems drehen zu können, so daß es je nach Drehlage wiederum entsprechend vergrößert, verkleinert oder aber auch gar nicht wirkt (»Optik für Konstrukteure«, 3. Auflage, Seite 153).

Für Periskope, wie sie beispielsweise in U-Booten zum Einsatz gelangen, ergeben sich besondere Bedingungen, die einerseits im Anwendungszweck selbst begründet sind, zum anderen aber auch durch die erhebliche Länge der in Rohren oder Rohrsystemen untergebrachten Optik und dem damit bedingten extrem flachen Einfallswinkel. Die Vielzahl der über die Länge des Periskoprohres verteilten Linsen, Prismen und dergleichen optische Bausteine müssen exakt in ihrer optischen Achse ausgerichtet sein und dennoch die für die Anwendung erforderliche Bedienung auch bei erhöhter mechanischer Beanspruchung einwandfrei gewährleisten.

Die für den U-Boot-Einsatz ausgelegten Periskope sind bekanntermaßen derart beschaffen, daß sie sowohl die binokularische direkte Betrachtung eines Objektes ermöglichen als auch eine Projektion auf einen Schirm, wie einen Fernsehschirm, wahlweise auch in Kombination mit einer Radarüberwachung oder für photographische Aufnahmen. Es wird meist zwischen Such- und Angriffsperiskopen unterschieden, wobei ihr wesentlicher Unterschied in fest vorgegebenen Vergrößerungswerten liegt; üblich sind hier 1,5-fache 6-fache und auch 12-fache Vergrößerungen.

Infolge des sich rasch ändernden Einsatzzweckes bediente man sich bisher bei den verschiedenen Vergrößerungsverhältnissen entweder verschiedener fest eingestellter Periskope oder es mußten für die Umschaltung auf einen anderen Vergrößerungmaßstab nicht unbeträchtliche Wechselzeiten hingenommen werden, während der elektrische Hilfseinrichtungen, wie beispielsweise ein oder mehrere Torque-Motore, das oder die Linsensysteme in andere Positionen verschoben. Wegen des geforderten hohen Auflösungsvermögens des Periskops, der Genauigkeit der Abbildung sind an die Genauigkeit der Endstellungen der Linsensysteme für jedes Vergrößerungsverhältnis hohe Anforderungen gesetzt, was einen entsprechend großen technischen Aufwand im Periskop selbst bedingt.

Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, der die Aufgabe zugrunde liegt, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die unterschiedlichen geforderten Vergrößerungsverhältnisse unter Verwendung ein und desselben Periskops erreicht werden, und zwar bei minimalen Wechselzeiten zwischen den unterschiedlichen Vergrößerungswerten und hoher optischer Genauigkeit unter Verwendung der für die eingangs beschriebenen Vorsatzfernrohre bereits bekannten Drehbarkeit von Linsensystem um eine zur optischen Achse senkrecht liegende Drehachse. Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale erfindungsgemäß erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieser Aufgabenlösung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Infolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Perikops kann dessen Zusammenbau sowie seine einmalige und dann beizubehaltende Justierung bezüglich der einzelnen Linsensysteme vor dem Einbau der Optik in das Periskoprohr auf einer optischen Bank erfolgen, so daß bisher erforderliche schwierige Justagearbeiten nach dem Einbau entfallen. Dadurch, daß jegliche translatorische Verschiebungen von Linsensystemen über Motoreinrichtungen für den Vergrößerungswechsel entfallen, wird der Konstruktionsaufwand erheblich verringert und die Größe sowie das Gewicht des Periskops verkleinert. Der Übergang von der translatorischen Bewegung in eine reine Drehbewegung führt auch zum ersatzlosen Verzicht auf jegliche Trägheitsmomente und den damit verbundenen Schwierigkeiten beim Beschleunigen und Abbremsen einzelner Linsensysteme und schließlich zu einer sehr vorteilhaften Verkürzung der Einstellzeiten für die gewünschten Vergrößerungen. Der bisher erforderliche Zeitaufwand für den Wechsel kann auf etwa Vm bis V₄₀ der Zeit reduziert werden. Es werden Bildqualitäten erzielt, die über den bisher möglichen liegen.

Die Gesamtheit der Optik bei der vorliegenden Vorrichtung entspricht nur der Hälfte bis zu einem Achtel bei vergleichbaren bisher bekannten Periskopen und das Trägheitsmoment konnte auf das 30-fache bis

40-fache verringert werden.

Beim Wechsel eines Vergrößerungsmaßstabes auf einen anderen ist ein Einschalten elektrischer Steuerorgane nicht mehr erforderlich. Jegliches Ein- und Ausschwenken optischer Einheiten aus beziehungsweise in die optische Achse entfällt ersatzlos, so daß es keine Engstelle innerhalb des Periskopgehäuses für die Führung der Triebwelle, elektrische Leitung und dergleichen mehr gibt Auch entfällt die Notwendigkeit einer speziellen Visieroptik, die bisher am Entfernungsmesser angebracht war und die eine der Hauptursachen für das Auftreten nachteiliger Rückspiegelungsprobleme darstellte.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, die sich auf eine vorteilhafte Ausgestaltung beschränken. Es bedeutet

F i g. 1 eine schematische Wiedergabe der optischen Bauelemente des Periskops über seine Längsachse,

Fig.2 eine entsprechende Seitenansicht der sich im Periskopkopf befindenden Linsensystem?* mit ihrem mechanischen Antrieb,

Fig.3 einen Längsschnitt durch den Periskopkopf mit der in das Kopfgehäuse eingebauten Optik, und

F i g. 4 eine graphische Darstellung für die Verdeutlichung der Bildqualität, wobei die Modulation in Abhängigkeit von der Frequenz wiedergegeben ist.

Die schematische Übersichtsdarstellung von F i g. 1 zeigt den im Kopfgehäuse des Periskops liegenden optischen Teil mit einem im Einfallsweg des Lichtstrahls liegenden ersten Umlenkprisma 52, das das etwa jo waagerecht einfallende Licht um beispielsweise 90° umlenkt, wobei die optische Achse 53 der nachgeschalteten Linsensysteme im Ausführungsbeispiel senkrecht liegt. Dem Umlenkprisma 52 folgen in Richtung des einfallenden Lichts ein erstes Galilei-Teleskoplinsensystern 45, ein zweites Galilei-Teleskoplinsensystem 40 und eine Petzval-Objektivlinsengruppe 35 sowie schließlich eine Entfernungsmessereinheit 58. Die beiden selbständigen Galilei-Teleskoplinsensysteme 40 und 45 sind jeweils umkehrbar in beiden Richtungen um 180° drehbar, wobei ihre optischen Achsen in jeder der beiden möglichen Endstellungen mit der optischen Achse 53 zusammenfallen.

Wie aus den F i g. 1 und 2 zu entnehmen, besteht das erste Galilei-Teleskopiinsensystem 45 aus einer bikonvexen Linse 46 und einer mit dieser eine Einheit bildenden plankonkaven Linse 47, einer weiteren bikonvexen Linse 48, einer plankokaven Linse 49 und einer plankonkaven Linse 50, wobei letztere mit einer konvex-konkaven Linse 51 wiederum zu einer Einheit zusammengefaßt ist. Die strichpunktierten Kreise 40a und 45a deuten die äußeren Begrenzungen für die Drehung der Teleskoplinsensysteme 40 und 45 an.

Das zweite Galilei-Teleskoplinsensystem 40 besteht im Ausführungsbeispiel aus einer ersten Lini^eneinheit v> 41, 42 und einer zweiten Linseneinheit 43, 44, zusammengesetzt aus einer konvex-konkaven und plankonkaven Linse zum einen und einer konvex-konkaven und plankonvexen Linse zum anderen.

Die sich daran anschließende Petzval-Objektivlinsen- bo gruppe 35 ist im Ausführungsbeispiel durch zwei Doppellinsen wiedergegeben, nämlich die erste Doppellinse 36, 37 und eine weitere Doppellinse 38, 39. Dieser Petzval-Linsenanordnung 35 folgt dann noch die in F i g. 1 gleichfalls schematisch skizzierte Entfernungsmessereinheit58.

Die dargestellte Anordnung der einzelnen Linsensysteme stellt ein optisches Dreistufensystem dar, wobei das erste der beiden Galilei-Telesk.oplinsensysteme ein 1,4-faches und das zweite ein 2-faches Linsensystem ist und durch bloße Drehung des einen und/oder des anderen Galilei-Systems eine 1,5- 6- oder 12-fache Vergrößerung erreicht wird, so daß das Periskop sowohl als Such- als auch als Angriffsperiskop verwendet werden kann.

Die Petzval-Objektivlinsengruppe 35 bewirkt eine Verlängerung der effektiven Brennweile, so daß die in Fig. 1 dargestellte optische Gesamtheit ohne weiteres in das Kopfgehäuse gemäß Fig.3 des Periskops eingebaut werden kann, und zwar oberhalb des Gehäuses für die Entfernungsmessereinheit 58, so daß die Verwendung einer Sammellinse in unmittelbarer Nähe des Entfernungsmessers überflüssig wird und damit eine Verschmutzung dessen Oberfläche ausgeschaltet ist.

Das jeweilige Umklappen des einen oder anderen Galilei-Teleskoplinsensystems 4O beziehungsweise 45 um jeweils 180° zur Erzielung einer der drei Vergrößerungsstufen erfolgt über einen Antriebsmechanismus unter Zurhilfenahme eines Malteserkreuzgetriebes, wie er aus Fig.2 ersichtlich ist. Diese Darstellung zeigt innerhalb des Teleskopgehäuses und seitlich zu den beiden Galilei-Teleskoplinsensystemen 40 und 45 liegend eine Triebstange 61, die vorteilhaft motorgetrieben ist, mit einem Kegelrad 62 an deren oberem Ende, das mit einem weiteren Kegelrad 63 in Eingriff steht, welches zentrisch in einer Ausnehmung innerhalb eines Triebrades 65 angeordnet ist, das an der dem Kegelrad 63 gegenüberliegenden Seite nahe der äußeren Umfangsfläche einen Mitnehmernocken 65a aufweist, der entsprechend dem Antriebsprinzip des Malteserkreuzgetriebes in eine geeignete Ausnehmung eines hinter der dargestellten Überlragungsanordnung liegenden Zahnrades oder dergleichen bei jeder Umdrehung in Eingriff bringbar ist, wobei letzteres Zahnrad mit dem Ankupplungselement 70 zusammenwirkt. Das Ankupplungselement 70 befindet sich auf der Drehachse 72 des Galilei-Teleskoplinsensystems 45, so daß bei geeigneter Kuppelstellung dieses über die Triebstange 61 um 180° senkrecht zur optischen Achse geschwenkt werden kann.

Eine weitere fluchtend zur Drehachse 72 liegende in Fig. 2 schematisch angedeutete Welle 72a kann das Galilei-Teleskoplinsensystem 45 manuell oder in anderer geeigneter Weise über ein Betätigungselement 76 gedreht werden.

In einer zweiten Kuppelstellung kann über die Triebstange 61 das zweite Galilei-Teleskoplinsensystem 40 über das Ankuppelelement 71 und die Welle 73 in entsprechender Weise gedreht werden, wobei auch für dieses Linsensystem ein zusätzliches Betätigungselement 86 vorgesehen ist. Die gemeinsame Drehachse des Malteserkreuzgetriebes ist in F i g. 2 mit dem Bezugszeichen 64 bezeichnet. Das Malteserkreuzgetriebe selbst ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung, seine Funktionsweise ist bekannt und durch die bloße schematische Darstellung in F i g. 2 hinlänglich verdeutlicht.

F i g. 3 zeigt die gemäß F i g. 1 und 2 dargestellten und beschriebenen Linsensysteme in ihrer Einbaustellung innerhalb des Kopfgehäuses des Periskops und es wird aus dieser Darstellung ersichtlich, daß alle Bedienungsunti Betätigungselemente für die einzelnen Linsensysteme innerhalb des Periskopgehäuses liegen, daß darüber hinaus kein Ausschwenken des einen oder anderen Linsensystems in translatorischer Weise aus der

optischen Achse heraus erfolgt, so daß eine vollkommen in sich geschlossene Einheit vorliegt. Die beiden Galilei-Teleskoplinsensysteme 40 und 45 werden ausschließlich mechanisch angetrieben unter Verzicht auf die Einschaltung elektrischer Steuerorgane und es ist sichergestellt, daß keinerlei mechaniche Kräfte auf die optischen Systeme einwirken können, so daß die vor dem Einbau der Optik erfolgte Justierung auch im Dauerbetrieb und bei höchsten Beanspruchungen erhalten bleibt. Der Malteserkreuzantrieb bewirkt einen sinuskurvenförmigen Bewegungsablauf der Drehung um jeweils 180°, was nachteilige Schläge beim Anhalten der Drehbewegung sicher vermeidet.

Obgleich die Petzval-Objektivlinsengruppe 35 in sich selbst voll korrigiert ist, ist der Gesamtaufbau der Optik so, daß diese Linsengruppe niemals allein im Strahlengang liegt, sondern die beiden Teleskoplinsensysteme 40 und 45 liegen unabhängig von ihrer Drehlage jeweils zwischen der Objektivlinsengruppe 45 und dem Umlenkprisma 52, was zu einer ausgezeichneten Korrektur der Feldabweichungen in allen drei möglichen Vergrößerungsstufen führt.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Grundstellung der Linsensysteme bewirkt eine sechsfache Vergrößerung des anvisierten Objekts bei einer effektiven Brennweite von 429 mm. Bei dieser Stellung befindet sich das 2-fach Galilei-Teleskoplinsensystem 45 in seiner Vergrößerungsstellung, während das 1,4-fach Galilei-Teleskoplinsensystem 40 seine Verkleinerungslage einnimmt. Werden beide Galilei-Teleskoplinsensysteme 40 und 45 um 180° gedreht, also in ihre andere fluchtend zur optischen Achse liegende Endpostion gebracht, dann arbeitet das Periskop bei einer 1 7₂-fachen Vergrößerung oder einer effektiven Brennweite von 107 mm. Für den Fall, daß eine noch stärkere Vergrößerung gewünscht ist, etwa die eingangs genannte 12-fache Vergrößerung, wird das Galilei-Teleskoplinsensystem 40 entgegen seiner Grundstellung ausgerichtet, was den Vergrößerungsfaktor der erstgenannten Grundstellung bei 6-facher Vergrößerung verdoppelt, also zu der gewünschten 12-fachen Vergrößerung führt. Diese Vergrößerung enspricht einer effektiven Brennweite von 858 mm und wird vorteilhaft für photographische Aufnahmen verwendet.

Der Gesichtswinkel bei der Grundstellung, also be 6-facher Vergrößerung, beträgt 8°, bei 1,5-fachei Vergrößerung 32° und bei 12-facher Vergrößerung 4° Die maximale Bildwiedergabe ist auf 60% beschränkt und für alle Vergrößerungsstufen wird die Austrittsöff·

ίο nung der Galilei-Teleskoplinsensysteme 40 und 45 gleich gehalten und auf die Eingangsöffnung dei folgenden Linsengruppen ausgerichtet. Da die optische Einrichtung zwischen der Entfernungsmessereinheit 5f und dem Auge für alle Vergrößerungsstufen die gleiche ist, bleibt auch der Betrachtungswinkel des Fadennetze! konstant. Die Einstellgeschwindigkeit ist für jede Vergrößerungsänderung gleich, da jede Vergröße rungsänderung nie mehr als eine Drehung eine; Galilei-Teleskoplinsensystems 40 oder 45 erforderlicr macht und durch einen einzigen Handgriff ausgeführ' werden kann.

F i g. 4 zeigt in einer graphischen Darstellung die Modulation in Abhängigkeit von der Frequenz Innerhalb des schraffierten Bereichs der zu höherer Frequenzen hin leicht divergiert liegen sowohl die ideale Übertragungsfunktion für jede hier in Betracht zi ziehende Optik, also der Idealfall der Amplituden-Mo dulation mit dem Faktor 1, als auch die in dei dargestellten Streubreite liegenden tatsächlich erzielba·

jo ren Werte. Bekanntlich ist die Übertragung für jede Frequenz bei der Verwendung welcher Optik auch immer nicht gleich gut, was allein durch die Brechungseffekte bedingt ist, es besteht jedoch keine nachteilige Abhängigkeit der Bildqualität vom gewählten Ver· größerungsmaßstab. Der schraffierte Kurvenbereich, ir dem auch die erzielten Ergebnisse des vorstehenc beschriebenen Periskops liegen, entspricht durchaus dem beim gegenwärtigen Stand der Technik optima erreichbaren.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum optischen Vergrößern oder Verkleinern mit verschiedenen wahlweise einstellbaren festen Abbildungsmaßstäben bei Periskopen, bestehend aus wenigstens zwei selbständigen, eine gemeinsame optische Achse aufweisenden Linsengruppen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Linsengruppen (40,45) von galileischer Bauart über eine gemeinsame motorbetriebene Triebstange (61) und zwei Ankupplungseiemente (70. 71) wechselseitig bei ortsfesten Drehachsen um 180° umklappbar sind, wobei jede Linsengruppe (40, 45) unabhängig voneinander mittels Malteserkreuzgetriebe derart von der einen Abbildungsstellung in die andere bewegbar ist, daß der Geschwindigkeitsverlauf der Drehbewegung über die 180° ein sinusförmiger ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Stellung der Galilei-Teleskoplinsen (40 und/oder 45) drei unterschiedlich vergrößerte Maßstäbe einstellbar sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechsel eines Vergrößerungsmaßstabes auf einen anderen jeweils durch Umklappen nur eines einzigen Galilei-Teleskoplinsensystems (45 oder 40) bewirkt ist.